淺談ＰＬＣ在工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)

[摘要] 可編程序控制器是在繼電器控制的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種新型的工業(yè)控制裝置。它是將微型計(jì)算機(jī)、自動化技術(shù)及通信技術(shù)融為一體，應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域的一種高可靠控制器。隨著現(xiàn)代社會生產(chǎn)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化水平的日益提高及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，可編程序控制器已成為當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)自動化的重要支柱。本文詳細(xì)地闡述PLC的興起、在工業(yè)自動控制中的地位、現(xiàn)狀及其發(fā)展特點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞] 可編程序控制器 工業(yè)控制系統(tǒng) 發(fā)展

一﹑前言

工業(yè)控制自動化技術(shù)是一種運(yùn)用控制理論、儀器儀表、計(jì)算機(jī)和其他信息技術(shù)，對工業(yè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，達(dá)到增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低消耗、確保安全等目的的綜合性技術(shù)，主要包括工業(yè)自動化軟件、硬件和系統(tǒng)三大部分。工業(yè)控制自動化技術(shù)作為現(xiàn)代制造領(lǐng)域中最重要的技術(shù)之一，主要解決生產(chǎn)效率與一致性問題。在工業(yè)控制自動化領(lǐng)域，PLC是一種重要的控制設(shè)備，它代表著當(dāng)前程序控制的先進(jìn)水平，PLC裝置已成為自動化系統(tǒng)的基本裝置。作為邏輯控制的控制器，它以其高可靠性，邏輯功能強(qiáng)大、體積小，可在線修改程序，易于與計(jì)算機(jī)接口，能對模擬量進(jìn)行控制等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)的自動化控制領(lǐng)域。

目前，無論是從國外引進(jìn)的自動化生產(chǎn)線，還是自行生產(chǎn)設(shè)計(jì)的自動控制系統(tǒng)；無論是新建工程項(xiàng)目，還是舊設(shè)備的技術(shù)改造，都可以看到PLC的身影。作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，30多年來，PLC從無到有，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制領(lǐng)域接線邏輯到存儲邏輯的飛躍；其功能從弱到強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進(jìn)步；其應(yīng)用領(lǐng)域從小到大，實(shí)現(xiàn)了單體設(shè)備簡單控制到勝任運(yùn)動控制、過程控制及集散控制等各種任務(wù)的跨越。可編程控制器已成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備。

二﹑工業(yè)控制和PLC的興起

機(jī)械和過程控制中的工業(yè)自動化起源于20世紀(jì)20年代的氣動控制器，這類設(shè)備使用壓縮空氣工作，靈活、經(jīng)濟(jì)而且安全。雖然氣動系統(tǒng)在速度和運(yùn)動方面提供了很大的靈活性且具有可靠性強(qiáng)和維護(hù)成本低的特點(diǎn)，但在20世紀(jì)60年代開始被離散的固態(tài)控制器所取代。然而，伴隨著微處理器的到來，真正的自動化和工業(yè)控制發(fā)展的巨大飛躍發(fā)生在20世紀(jì)70年代，即可編程控制器的誕生。

1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)根據(jù)GM公司的要求成功研制出了世界上第一臺可編程控制器，并在GM公司汽車上首次應(yīng)用成功。它是將繼電接觸控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)功能完善、靈活性強(qiáng)、通用性好的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，并將繼電接觸控制的硬連線邏輯轉(zhuǎn)變成為計(jì)算機(jī)的軟件邏輯編程的設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。PLC首先在汽車生產(chǎn)流水線上大量應(yīng)用，20世紀(jì)80年代 PLC走向成熟，全面采用微電子及微處理器技術(shù)并大量推廣應(yīng)用，奠定了其在工業(yè)控制中不可動搖地位的地位。20世紀(jì)90年代隨著工控編程語言的正式頒布，使PLC在技術(shù)上取得新的突破。目前，在機(jī)械和過程控制中，盡管嵌入在控制設(shè)備中的微處理控制器得到了大量的應(yīng)用，但是主宰工業(yè)自動化的依然是PLC。PLC系統(tǒng)具有專用I/O、可靠的硬件、掃描處理和邏輯梯形圖，這使它成為工業(yè)控制成功的首要選擇。

工業(yè)控制自動化主要包含三個層次，從下往上依次是基礎(chǔ)自動化、過程自動化和管理自動化，其核心是基礎(chǔ)自動化和過程自動化。傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)，基礎(chǔ)自動化部分基本被PLC和DCS (Distributed Control System分散控制系統(tǒng))所壟斷，過程自動化和管理自動化部分主要是由各種進(jìn)口的過程計(jì)算機(jī)或小型機(jī)組成，其硬件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的價格昂貴。PLC以其靈活性、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、運(yùn)行速度高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)，始終在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中占有重要的地位。

三﹑PLC技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)

PLC在工業(yè)控制自動化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為各種各樣的自動化控制設(shè)備提供非常可靠的控制方案，與DCS和工業(yè)PC形成了三足鼎立之勢。為了滿足工業(yè)控制的要求，PLC不斷改進(jìn)并完善自身的功能，主要體現(xiàn)在以下幾方面:

1.系統(tǒng)開放性

早期的PLC缺點(diǎn)之一就是它的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開放的，如專用總線、通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議、I/O模塊更互不通用，幾乎各公司的PLC均互不兼容。目前，PLC在開放性方面已有實(shí)質(zhì)性突破，不少大型PLC廠商在PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用了各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如IEC61131、IEEE802.3以太網(wǎng)、TCP/IP等。

為了使PLC更具開放性和執(zhí)行多任務(wù)，在一個PLC系統(tǒng)中同時裝幾個CPU模塊，每個CPU模塊都執(zhí)行某一種任務(wù)。例如三菱公司的小Q系列PLC可以在一個機(jī)架上插4個CPU模塊，這些CPU模塊可以進(jìn)行專門的邏輯控制、順序控制、運(yùn)動控制和過程控制。

軟PLC是在PC機(jī)的平臺上，在Windows操作環(huán)境下，用軟件來實(shí)現(xiàn)PLC的功能。軟PLC綜合了計(jì)算機(jī)和PLC的開關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)值處理、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，通過一個多任務(wù)控制內(nèi)核，提供強(qiáng)大的指令集、快速而準(zhǔn)確的掃描周期，可靠的操作和可連接各種I/O系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的開放式結(jié)構(gòu)， 使PLC系統(tǒng)更具開放性。

2.PLC與Internet的互聯(lián)通信

目前，小型PLC都有通信接口，中、大型PLC都有專門的通信模塊。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC的通信聯(lián)網(wǎng)功能使其與PC和其它智能控制設(shè)備很方便地交換信息，實(shí)現(xiàn)分散控制和集中管理，通過PLC與PC更好地融合，來改善被控過程的生產(chǎn)性能。現(xiàn)在，PLC朝著網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，一方面，PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)不再是自成體系的封閉系統(tǒng)，而是迅速向開放式系統(tǒng)發(fā)展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在完成設(shè)備控制任務(wù)的同時，還可以與上位計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息交流，成為整個信息管理系統(tǒng)的一部分；另一方面，現(xiàn)場總線技術(shù)得到廣泛的采用，PLC與其他安裝在現(xiàn)場的智能化設(shè)備，比如智能化儀表，傳感器，智能型電磁閥，智能型驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，通過一根傳輸介質(zhì)(比如雙絞線，同軸電纜，光纜)連接起來，并按照同一通信規(guī)約互相傳輸信息，由此構(gòu)成一個現(xiàn)場工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。

3.微型化，運(yùn)算速度高速化

PLC小型化的優(yōu)勢是節(jié)省空間、降低成本、安裝靈活。近幾年，很多PLC廠商推出了超小型PLC，用于單機(jī)自動化或組成分布式控制系統(tǒng)。運(yùn)算速度高速化是PLC技術(shù)發(fā)展的重要特點(diǎn)，PLC已不再是早期那種只能進(jìn)行開關(guān)量邏輯運(yùn)算的產(chǎn)品了，而是具有越來越強(qiáng)的模擬量處理能力，以及其他過去只有在計(jì)算機(jī)上才能具有的高級處理能力，如浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，PID（比例、積分、微分控制）調(diào)節(jié)，溫度控制，精確定位，步進(jìn)驅(qū)動，報表統(tǒng)計(jì)等。從這種意義上說，PLC系統(tǒng)與DCS(集散控制系統(tǒng))的差別已經(jīng)越來越小了。用PLC同樣可以構(gòu)成一個過程控制系統(tǒng)。

4.替代嵌入式控制器

據(jù)相關(guān)調(diào)查報告顯示，現(xiàn)在對于低端PLC市場的爭奪仍在繼續(xù)進(jìn)行，這也進(jìn)一步促進(jìn)了PLC的發(fā)展。隨著微型和超微型PLC技術(shù)的發(fā)展和數(shù)量的增長，它們已經(jīng)開始進(jìn)入到新的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，微型PLC已經(jīng)開始替代嵌入式控制器的工作內(nèi)容。像Omron公司已經(jīng)察覺到這一技術(shù)發(fā)展的新動向，并逐漸計(jì)劃將其產(chǎn)品應(yīng)用于商業(yè)器具、飲料分發(fā)設(shè)備等。這些行業(yè)之所以正在應(yīng)用微型PLC，正是由于它具有卓越的靈活性、市場開發(fā)周期短、適應(yīng)性強(qiáng)、競爭性的價格等一系列優(yōu)點(diǎn)所致。

四﹑結(jié)束語

PLC要在工業(yè)控制自動化中占有一席之地，就必須不斷融入新技術(shù)、新方法，推陳出新。新一代PLC將能夠更加滿足各種工業(yè)自動化控制應(yīng)用的需要。從發(fā)展趨勢看，PLC控制技術(shù)將成為今后工業(yè)自動化的主要手段，在未來的工業(yè)化生產(chǎn)中，PLC技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、CAD/CAM和數(shù)控技術(shù)將成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的四大支柱技術(shù)。

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